具有高增益的AlGaN 日盲紫外雪崩光电二极管

代志诚，谷 燕，张秀梅，陆乃彦，杨国锋

（江南大学 理学院，江苏 无锡214122）

1 引 言

AlGaN 基日盲紫外雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）具有尺寸小、功耗低、灵敏度高、增益高，无需冷却，不受磁场影响，在强背景辐射下能探测微弱信号等特点［1-4］。目前，AlGaN APD 已经在紫外光通信，环境污染检测，水净化处理和海洋环境监测等领域［5-6］成功取代常规的光电探测器。

Ⅲ族氮化物半导体材料相比其他材料体系存在更强的自发极化和压电极化，可以在不施加任何外加条件下产生高达几个MV/cm 的极化电场［7］，因此，可以利用极化效应的正效应来改善光电二极管的性能。国内一些研究者在常规的Al-GaN APDs 结构的基础上，设计出一系列具有高增益但结构不同的背入射式p-i-n-i-n SAM 日盲AlGaN APDs。国外一些研究者设计出具有高增益的前入射式p-i-p-i-n SAM 日盲AlGaN APD［8-11］。强极化电场的存在降低了AlGaN APDs 工作时的电压。高的工作电压在增加器件暗电流的同时会产生更多的噪音，从而影响APD对微弱信号的检测，并且过早击穿的风险也会随之增加［12-13］。极化效应对改善AlGaN APD 的光电性能具有重要的作用。

本文设计了一种具有低Al 组分p 型渐变AlxGa1-xN 层和高/低Al 组分AlGaN 倍增层的背入射式p-i-n-i-n 吸收倍增区分离（Seperate Absorption and Multiplication，SAM）特殊日盲紫外APD，并插入AlN/Al0.64Ga0.36N 分布式布拉格反射 器（Distributed Bragg Reflector，DBR）结 构 。高/低Al 组分的AlGaN 异质结构的设计能够调控能带的偏移，从价带的偏移获得额外的能量可以促进空穴的电离，同时在异质结处形成深的电位降俘获住大量的电子从而抑制电子电离［14］。此外，对于AlGaN 合金材料，随着Al 组分的降低，空穴的碰撞电离系数会明显提高［15］。低Al 组分p 型渐变AlxGa1-xN 层的设计能够改变倍增层中的极化电场方向，使得产生的极化电场方向与外加电场方向一致。同时，额外的电场能够降低雪崩倍增击穿时所需的外加电压［16］。此外，低Al组分p 型渐变AlxGa1-xN 层有更高的掺杂效率，从而会降低器件的串联电阻［17］。与常规的APD 相比，特殊设计的APD 表现出更高的雪崩倍增增益和低雪崩击穿电压。 同时，AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 结构的引入有效改善了AlGaN SAM APD的日盲响应特性。

2 结构与参数

图1（b）是特殊设计的具有低Al 组分p 型渐变AlxGa1-xN 层和高/低Al 组分AlGaN 倍增层的背入射式p-i-n-i-n SAM 日盲紫外APD 结构示意图。从图中可以看出，该结构包括500 nm 的n 型Al0.5Ga0.5N 重掺杂层，180 nm 非故意掺杂的i-Al0.4Ga0.6N 吸 收 层 ，60 nm 的n 型Al0.4Ga0.6N 电 荷层，180 nm 非故意掺杂的i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结构倍增层和90 nm 低Al 组分的p 型渐变组分AlxGa1-xN 层，该层的Al 组分从上到下由0 逐渐变化到0. 2。同时，在n 型Al0.5Ga0.5N 重掺杂层与蓝宝石衬底之间插入AlN/Al0.64Ga0.36N DBR结构。由于低Al 组分Al0.2Ga0.8N 作为倍增层会破坏设计的AlGaN APD 的日盲响应特性，DBR结构的引入可以在使用低Al 组分Al0.2Ga0.8N 作为倍增层的同时改善APD 的日盲特性。同时，DBR 结构作为缓冲层还可以提高AlGaN 外延层的质量并减少由于位错而产生的暗电流［18］。

图1 AlGaN 日盲紫外APD 的结构示意图Fig. 1 Schematic structure of AlGaN solar-blind APDs

图1 （a）是常规的AlGaN p-i-n-i-n APD 的结构示意图。作为参照，其结构和特殊设计的APD不同处是p-Al0.4Ga0.6N 层代替了低Al 组分的p 型渐变AlxGa1-xN 层，i-Al0.4Ga0.6N 同质结构倍增层替代高/低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结构倍增层，AlN 作为缓冲层代替了AlN/Al0.64Ga0.36N DBR。 两 个APDs 的 尺 寸 都 是625 μm×1 μm，p 型 层 的 空 穴 掺 杂 浓 度 是1×1018cm-3，电荷层的电子掺杂浓度是2×1018cm-3，重掺杂层的掺杂浓度是2×1018cm-3，倍增层和吸收层的非故意掺杂浓度是1×1016cm-3。这里需要指出的是设计APD 的低Al 组分p 型渐变AlxGa1-xN 层可以减少串联电阻并改变倍增层中低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N 的极化电场方向，使得在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结构倍增层中产生比i-Al0.4Ga0.6N 同质结构更强的极化电场。

图1（b）中放大部分是插入的AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 结构。该DBR 结构一共包括22 个周期性的AlN 和Al0.64Ga0.36N 层 。AlN 和Al0.64Ga0.36N 的折 射 率 系 数 分 别 设 计 为2. 13 和2. 50［19］，AlN 和Al0.64Ga0.36N 的厚度分别为35. 21 nm 和30 nm。本文采用Silvaco Atlas 器件仿真软件进行器件的光电性能模拟。在模拟过程中，利用泊松方程和载流子连续性方程，并考虑了载流子浓度依赖的迁移率模型、场依赖的迁移率模型、间接复合（SRH 复合）模型、俄歇复合模型、表面复合和光产生复合模型。 此外，在计算击穿电压和增益时，还考虑了4 种类型的暗电流机制，包括扩散电流、产生-复合电流、带间电流和陷阱辅助隧穿电流。

3 结果与讨论

图2 常规结构APD 和特殊设计APD 在无光照和276 nm 光照下的反向偏压I-V 曲线Fig. 2 Reverse I-V characteristics of conventional and specially designed APDs in darkness and under illumination at 276 nm

图2 是常规结构和特殊设计的APDs 分别在无光照和光照条件下的电流-电压（I-V）曲线，入射光的波长和辐照度分别是276 nm 和5×105W/cm2。从图中可以看出，当偏压超过40 V 时，两个APDs 的光电流和暗电流都出现明显的增长趋势。特别是暗电流，在偏压高于40 V 时，暗电流值呈指数性增长，这些现象都表明空穴在偏压40 V 时开始产生离化。当偏压超过40 V 时，特殊设计APD 的暗电流值一直高于常规APD，这是由于特殊设计APD 的隧道效应比常规APD 更加显著，从而产生更高的隧穿电流［20］。这也表明了特殊设计的APD 在相同条件下产生了更高的电场。通常雪崩倍增增益是指雪崩倍增后的光电流与暗电流的差值除以离化前的光电流与暗电流的差值［21］，雪崩倍增增益G 可以表示为：

其中：Ip，Id分别为倍增后的光电流和暗电流，Ip0，Id0分别为离化前的光电流和暗电流。通过图2 的I-V 曲线可以发现，空穴离化是在偏压40 V 时开始发生的，依此可以把0～40 V 偏压间的平均电流作为离化前的电流。表1 是计算出的两种APDs 的雪崩击穿电压和最大雪崩倍增增益。从表中可以看出，常规APD 的雪崩击穿电压是66. 4 V，最大雪崩倍增增益是5. 79×103，而具有低Al组分p 型渐变AlxGa1-xN 层和高/低Al 组分Al-GaN 倍增层的APD 的雪崩击穿电压是64. 8 V，最大雪崩倍增增益是6. 11×104。结果表明，特殊设计的APD 雪崩击穿电压相比于常规APD 虽然只降低了1. 6 V，但是其雪崩增益却增加了一个数量级以上，雪崩击穿电压的下降主要是因为设计的APD 有更低的串联电阻和更高的极化电场。雪崩增益提高的主要原因是倍增层中有更强的总电场和低Al 组分Al0.2Ga0.8N 倍增层具有更高的空穴电离系数。

表1 常规结构APD 和特殊设计APD 的雪崩击穿电压和最大雪崩倍增增益Tab. 1 Avalanche breakdown voltages and maximum multiplication gains for conventional and designed APDs

图3 常规APD 和特殊设计的APD 在不同偏压下的能带图Fig. 3 Energy band diagrams of conventional and specially designed APDs at different voltages

为了进一步研究常规APD 和特殊设计的APD 的光电性能差异，本文计算了两种APDs 的能带图、电子浓度分布和电场分布。图3（a）和3（b）分别是两种APDs 在0 V 和20 V 偏压下的能带图。从图3（a）可以观察到特殊设计的APD在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 区域的异质结处形成了更深的电位降，这可以把高Al组分i-Al0.4Ga0.6N倍增层中的大部分电子限制在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 的异质结处，而只允许少量电子进入低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N 层。此外，因为电子会通过电荷运输作用从n-Al0.4Ga0.6N 电荷层扩散到高Al 组分的i-Al0.4Ga0.6N 倍增层中，再进入到低Al组分的i-Al0.2Ga0.8N 倍增层中，所以i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增层异质结构的设计就可以形成双重保障，阻止大部分电子进入低Al 组分的i-Al0.2Ga0.8N 层中。 因为特殊设计APD 的空穴雪崩倍增效应主要是发生在低Al 组分的i-Al0.2Ga0.8N 倍增层中，所以有利于减少电子电离引起的噪声和提高空穴的碰撞电离。如图3（a）所示，圆形标示处的能带呈梯度状，这主要是因为在i-Al0.4Ga0.6N 吸收层与n 型Al0.5Ga0.5N 重掺杂层的接触面形成了梯度间隙结构，这种能带结构可以消除异质结处的电荷积累［22］。从图3（b）可以发现，在20 V 偏压下，特殊设计的APD 在高Al 组分的i-Al0.4Ga0.6N 倍增层内的电位降比在0 V 偏压下的更深，这样有利于电荷的运输，并便于更多的电子在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结处聚集。

图4（a）和4（b）分别是特殊设计的APD 和常规APD 在0V 偏压下的电子浓度分布。从图中可以看出，两种APDs 在倍增层中都分布有少量的电子。但是，特殊设计的APD 在210 nm 对应高度处域聚集了大量的电子，这与上述分析的电子在特殊设计APD 的i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结处积累是一致的。从图中可以看出，常规APD 倍增层中的电子浓度呈渐变式分布。同时，在i-Al0.4Ga0.6N/n-Al0.5Ga0.5N 异质结处没有出现电子聚集的情况，这也进一步证明了i-Al0.4Ga0.6N/n-Al0.5Ga0.5N 异质结处形成了梯度间隙能带结构。此外，大量的电子在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结处聚集，这种现象引起的结果是特殊设计的A P D 与常规A P D 相比，在低A l 组分i-Al0.2Ga0.8N 倍增层中电子浓度梯度差比较大，然而在高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层的电子浓度梯度差要小得多；因此特殊设计的APD在低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N 倍增层中的内建电场比常规APD 高，但是在高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层的内建电场则小于常规APD。图4（c）和4（d）分别是特殊设计的APD 和常规APD 在雪崩击穿电压下的电子浓度分布。从图中可以看到，特殊设计的APD 在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结处有大量电子的积累，而在低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N倍增层内和高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层内只分布有少量的电子，而且该APD 倍增层中分布的电子浓度少于常规APD 倍增层中的电子浓度。因此可以证明特殊设计的APD 倍增层中空穴会发生更大几率的雪崩倍增离化，而由电子雪崩倍增离化产生的噪音会显著降低，其电学性能会得到明显改善。

图4 （a）特殊设计的APD 和（b）常规APD 在0 V 偏压下的电子浓度分布；（c）特殊设计的APD 和（d）常规APD 在雪崩击穿电压下的电子浓度分布Fig. 4 Electron concentration distributions of（a）specially designed and （b）conventional APDs at 0 V；Electron concentration distributions of（c）specially designed and（d）conventional APDs at avalanche breakdown voltage

图5 常规APD 和特殊设计的APD 在（a）0 V 和（b）雪崩击穿电压下的电场分布Fig. 5 Electric field distributions of conventional and specially designed APDs under（a）0 V and（b）avalanche breakdown voltages

图5 （a）和5（b）分别展示了两种APDs 在0 V和雪崩击穿电压下的电场分布，图5（a）中的插图是特殊设计APD 的高/低Al 组分AlGaN 倍增层中极化电场的结构示意图。由于自发极化和压电极化，在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结处形成 了 负 电 荷- σ0。 在 没 有 低Al 组 分p 型 渐 变AlxGa1-xN 层的情况下，在低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N倍增层中产生了与外加电场方向相反的极化电场Ep1，在高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层中产生了与外加电场方向相同的极化电场Ep2。所以，在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增层中产生了与外加电场方向相反的极化电场Ee（Ee=Ep1-Ep2），此时APD 的雪崩击穿电压会增大，同时暗电流也会增大，电子雪崩倍增离化产生的噪音也会随之增加，所以器件性能会降低。而应用低Al 组分p 型渐变AlxGa1-xN 层后，在p-Al0.2Ga0.8N（p-Al0.2Ga0.8N 层的厚度远远小于i-Al0.2Ga0.8N 层的厚度）的上表面形成负电荷-σ1（σ1＞σ0），所以在低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N 倍 增 层 中 和 高Al 组 分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层中分别产生了与外加电场方向相同的极化电场Ep1和Ep2，从而在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增层中产生了与外加电场方向相同的极化电场Ee（Ee=Ep1+Ep2），因此，低Al 组分p 型渐变Alx-Ga1-xN 层的设计能够改变i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增层中极化电场的方向。从图5（a）中可以观察到，特殊设计的APD 在低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N 倍增层中的电场强度比常规APD 高，但是在高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层中的电场强度是低于常规APD，这一电场分布规律证明了上述推断。此外，在特殊设计APD 的i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结处产生很高的电场强度，能够阻止电子从高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层进入低Al 组分i-Al0.2Ga0.8N 倍增层内。由图5（b）可知：在雪崩击穿电压下，特殊设计的APD 与常规APD 相 比 ，在 低Al 组 分i-Al0.2Ga0.8N 倍 增 层 内 的电场略高，但是在高Al 组分i-Al0.4Ga0.6N 倍增层内的电场较低，但是在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N异质结构倍增层内的总电场是高于在i-Al0.4Ga0.6N 同质结构倍增层里的总电场。另外，低Al组分Al0.2Ga0.8N 材料比高Al组分Al0.4Ga0.6N材料具有更高的空穴电离系数［15］，因此，特殊设计的APD 比常规的APD 具有更低的雪崩击穿电压和显著提高的雪崩倍增增益。

图6（a）是采用Comsol 软件计算的特殊设计APD 中插入AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 结构的反射光谱。在模拟中，所有的仿真结果都是基于有限元分析（Finite Element Model，FEM），并建立频域折射率模型，设置模拟区域周围的吸收边界为完美电导体。从图中可以看到，DBR 的波长在280～320 nm 间的反射率高达99. 9%，高反射区内的波长恰好对应Al0.2Ga0.8N 合金的带隙能量。图6（b）显示的是特殊设计APD 在有DBR 和没有DBR 结构在10 V 偏压下的光谱响应。从图中可以看出，没有插入DBR 结构的APD 光谱响应截止波长是324 nm，而具有DBR 结构的APD 光谱响应截止波长出现在290 nm 处，这表明AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 结构的引入有效地改善了本文所设计的AlGaN APD 的日盲响应特性。

图6 （a）DBR 结构的反射光谱；（b）偏置电压为10 V 时特殊设计APD 在有DBR 和没有DBR 情况下的光谱响应Fig. 6 （a） Reflectivity spectrum of DBR structure；（b）Spectral responsivities of specially designed APDs with and without DBR at reverse bias of 10 V

4 结 论

本文基于常规APD 的基础结构，设计了具有低Al 组分p 型渐变AlxGa1-xN 层和高/低Al 组分AlGaN 倍增层的背入射式p-i-n-i-n SAM Al-GaN 日盲紫外APD。为了改善APD 的日盲响应特性，插入22 个周期的III 族氮化物AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 结构。 AlN/Al0.64Ga0.36N DBR结构在280～320 nm 间的反射率高达99. 9%，且APD 的光谱响应截止波长在290 nm。低Al 组分p 型 渐 变 组 分AlxGa1-xN 层 和 低/高Al 组 分Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 异质结构倍增层的设计，使得APD 倍增层具有更高的空穴电离系数和极化电场。研究结果表明，该特殊设计的APD 的击穿电压是64. 8 V，最大雪崩倍增增益高达6. 11×104，相比于常规结构的APD，其雪崩增益提高了一个数量级，为接下来特殊设计APD 的实验制备提供了理论依据。